摘 要：討論了一種基于IP2022解決方案的雙模語音網關設計，可以實現同時連接VoIP網絡和PSTN網絡并能在兩者之間互相轉換，還可在VoIP網絡不可用時使用PSTN網絡保障電話線路暢通，該設計使得VoIP網絡的通話成本大大降低，具備很好的實用性和靈活性。
關鍵詞： IP2022 處理器； 雙模語音網關
目前語音網關的設計解決方案很多，但大都遵循MCU+DSP的處理方案，有些是偏重于經濟成本如基于單芯片（SoC）的 PA1688/AR1688解決方案，有些是關注性能如ARM+DSP解決方案，本文將討論一款基于IP2022解決方案的雙模語音網關設計。
VoIP雙模網關是一種同時連接VoIP網絡和PSTN網絡并能在兩者之間互相轉換的用戶端網關設備。雙模網關能夠使用VoIP網絡節省大量通話成本，還能夠在VoIP網絡不可用(斷電或路由不可達)時使用PSTN網絡保障電話線路永遠暢通，而且使用雙模網關無需對PBX交換機做任何改變，用戶還能夠自由選擇或由網關自動選擇使用VoIP網絡還是PSTN網絡，具備很好的實用性和靈活性。
1 VoIP雙模網關的工作原理
網關在VoIP網絡中主要起協議轉換、控制及關守作用，例如呼叫控制和呼叫管理等。雙模網關在普通VoIP網關的基礎上增加了VoIP和PSTN之間的轉換。雙模網關系統從功能上可分為雙模轉換模塊、FXS接口電路模塊、語音處理模塊和軟件控制模塊，其系統框圖如圖1所示。各主要模塊功能描述如下：
(1)雙模轉換模塊
雙模轉換模塊主要包括FXO接口電路，由CODEC和數據處理陣列DAA(Data Access Arrangement)組成。其中的CODEC和FXS電路中的相同；DAA仿真了一部話機，通過PSTN的環路閉合去除高壓直流分量，只讓PSTN線上的模擬交流信號通過。
(2)FXS接口電路模塊
外部交換站接口FXS（Foreign Exchange Station）：電路直接和模擬話機連接，提供撥號音、饋電、鈴流電壓，并能夠檢測話機的摘掛機和環路閉合，完成模擬信號和數字信號之間的相互轉換。
外部交換局接口FXO（Foreign Exchange Office）：在傳統的PSTN電話連接中，電話中央局端交換機提供饋電和鈴流，電話本身完成Tip／Ring電路來請求服務或應答PSTN上的呼叫。
明白了FXS和FXO的原理也就理解了本網關設計的理念，就是將網關模擬成一個交換機。其內部的FXS 電路將模擬電話局端交換的功能，為電話提供電源并進行振鈴，同時檢測環路電流。而FXO 電路則模擬電話功能，提供環路關閉功能并檢測來話振鈴。
(3)語音處理模塊
網關的語音處理模塊負責對PCM數字語音信號進行壓縮和解壓縮。壓縮算法的標準包括G.711、G.723.1和G.729等。不同的算法壓縮比不相同，占用的帶寬也不同。壓縮算法能夠用硬件DSP實現，也能夠用純軟件實現[1]。
(4)軟件控制摸塊
軟件控制模塊實現網關的協議棧處理和路由處理等功能。協議棧負責將壓縮后的數據流進行封裝，加上IP協議包頭，形成可在VoIP網絡中傳輸的IP數據包。現在VoIP的協議棧主要基于H.323和SIP兩種標準。協議棧將數據流打成IP數據包后，選擇適當路由經過以太網接口發送到VoIP網絡中。接收端網關接收到IP數據包后，將數據包解壓縮并將解壓縮后的PCM數字信號解碼，恢復原始語音信號[2]。
2 VOIP雙模語音網關硬件設計
VOIP雙模網關的硬件原理如圖2 所示。
2.1 MCU
本網關設計的核心采用IP2022處理器，它不但要完成各部件的協同工作，還要做大量的計算處理（例如DSP處理后的編碼數據打包通過網絡傳輸）還要將網絡傳來的語音數據解包后經解碼處理送到話機。
IP2022是美國UBICOM推出的一顆功能強大的網絡通信處理器，采用RISC結構，帶有片上Flash程序存儲器，具有在線和離線編程調試功能及單字節時鐘周期精簡指令集，用4階段并行流水線方式執行指令，有極高的代碼效率和指令運行速度，速度可達120 MIPS。其內部已集成了Flash/RAM、模擬比較器、定時器等多種功能部件，可以在通用I/O口上實現USB、SPI等各種接口。與SX系列不同，IP2022能實現物理層接口及多種網絡協議[3]，這主要是因為它內含2個全雙工串化器/解串器（Ser/Des）和4個線性反饋移位寄存器(LFSR)。IP2022以軟件模塊（ipModules）形式實現外設通信和控制功能，比傳統硬件具有更大的系統設計靈活性。該軟件模塊加上緩沖器管理技術所編寫的代碼，其大小只是用Linux實現的20%。IP2022還提供有TCP/IP網絡協議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必需的附加軟件。核心SDK軟件包便于開發者用IP2022網絡處理器設計嵌入式Internet應用。它包含了很多通用連接應用軟件，如網絡服務器、以太網、文件管理及Flash更新。高度集成的模塊及高效設計使ipModules代碼小、功能強健、可配置、可擴展。開發者也可按照指導方案利用API庫增加自己的程序模塊。
2.2 DSP
DSP主要完成音頻、視頻的編解碼工作，因此在選擇DSP部分時，既要考慮滿足目前的基本需求（如會話功能），又要考慮今后的需要（如視頻要求、VOCIE EAMIL功能等）。所以本設計采用了VoicePump公司的VP120產品。該低功耗、高性能DSP-1xx系列混合數字信號處理器專為針對話音處理的低密度語音網關、VoIP 的IAD設備（綜合接入設備）而設計[4]。它通過主處理器靈活的接口協議，每個語音通道都可以配置多種語音編碼和話音應用，再加上已經固化在DPS 內部ROM上的各種應用軟件，可以將傳統模擬語音信息和基于包處理的系列主機作無縫連接。
2.3 電話接口(FXS)
SLIC接口電路主要是模擬PSTN電壓電平。檢測電話掛機還是摘機，并生成高達120 V的振鈴電壓,本設計采用英國Silver Telecom公司的帶有DC-DC變換的Ag1170 系列SLIC接口模塊。其網關連接示意圖如圖3所示。
2.4 用戶線接口(FXO)
FXO接口由兩部分組成:
(1)編解碼電路。這部分的功能和前面FXS中的編解碼功能完全一樣，也是由DSP芯片VP120提供服務，并由主CPU根據線路實際情況進行FXS和FXO功能切換，以便判定語音信號是走互聯網絡還是PSTN線路；
(2)數據存取裝置(DAA)。其重要作用是去除高電壓直流偏置，將PSTN環路關閉，從而僅傳送來自PSTN的模擬交流信號。本設計采用Clare的CPC 56XX系列產品作為DAA功能的設計。CPC 56XX系列產品號稱是為工業上首創的單封裝的DAA（數據存取裝置），它包括一個芯片內的隔離勢壘（額定均方根值1 500 V）, 這種DAA還提供正常的交流和直流電話線端接、二至四線混合功能、掛機和摘機檢測、呼叫人身份識別，半波和全波振鈴檢測電路，可支持大部分編解碼器和DSP器件。適合于機頂盒和電話應用的這種芯片可取代磁變壓器和各式各樣的其他分立元件，從而減少占用板上空間和成本，在本網關的設計中采用的是Clare公司推出的32腳SoC封裝的CPC 5622A。
3 基于SIP協議的雙模網關軟件設計
3.1 SIP協議棧的開發
為了設備互通、網絡互連等，需要開發相應的基于應用層的SIP協議棧。目前開源（開放源代碼）的SIP協議棧中比較常用的有VOCAL與OSIP，它們都是比較成熟和可商業化的SIP協議棧，其特點如表1所示。
本設計采用Libosip2進行程序開發，它是一種 GNU oSIP庫,OSIP封裝較好，操作簡單、可讀性較好，缺點是BUG較多，需調試時改進。
3.2 網關應用軟件設計方案
軟件部分主要由嵌入式操作系統和應用層軟件組成，可完成協議棧處理、路由處理和其他控制功能，軟件方案層次結構如圖4所示。
應用層的軟件主要由SIP協議棧處理模塊、路由處理模塊和DSP控制模塊組成。SIP協議棧負責呼叫控制和信令、音頻處理和媒體實時傳輸等功能。本系統采用開放源代碼的OSIP協議棧作為參考，應用層上的功能模塊都是基于該協議棧研發的[5]。
路由尋址模塊主要負責路由尋址和路由管理，確定目的網關的IP地址，并選擇最好路由將IP數據包經過IP網絡傳送到目的網關。DSP控制模塊主要是在應用程序中根據通話流程編寫相應的控制程序來控制DSP120的操作。網管模塊提供了Web網管和CLI命令行界面，很容易對雙模網關進行配置和維護[6]。
在SIP協議處理上直接采用OSIP所給出的函數調用,實現基本的SIP 協議功能,屏蔽了協議處理的內部細節。VP120 DSP處理器直接采用所提供的函數庫,可實現對DSP 的初始化和編解碼算法, 語音編解碼類型包括G.723.1、G.729、G.711a和G.711u。網關軟件主程序處理流程如圖5所示，網關語音包數據處理流程如圖6所示。
本文設計的VoIP雙模語音網關，其硬件利用高性能嵌入式微處理器IP2022和專用語音處理芯片DSP120為核心構成，軟件采用Libosip2程序開發及開源SIP協議棧為主，通過測試證明了其可行性。隨著目前無線WiFi的流行，本方案也可以直接升級為WiFi應用，通過采用IP2K系列所配備的無線開發套件，可以開發出適合802.11 a/b/g功能的無線網關，在無線應用領域，值得參考和借鑒。
參考文獻
[1] 宋茂強.通信軟件設計基礎[M].北京：北京郵電大學出版社，2007.
[2] 王瑞剛,李燕. IP電話終端設備——原理、電路及應用[M].西安:電子科技大學出版社,2003.
[3] IP2022 Internet Processor User’s Manual. http://www.ubi-com.com.2002.
[4] VP120 DSP User s Manual[EB/OL]. http://www.voicepump.com.
[5] 申利民，文元美，蘇安集，等.基于SIP協議的嵌入式語音網關設計[J].世界電子元器件，2007（9）：116-118.
[6] 劉洪林，陳秀蓮，張保忠.基于SIP協議的語音網關開發設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2005(9）：51-53.